内容发布更新时间 : 2024/11/15 11:00:17星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

载流子寿命在很大程度上受半导体样品的形状和表面状态的影响。例如，实验发现，经过吹砂处理或用金刚砂粗磨的样品，其寿命很短。而细磨后再经适当化学腐蚀的样品，寿命要长的多。实验还表明，对于同样的表面情况，样品越小，寿命越短。可见，半导体表面确实有促进复合的作用。表面复合是指在半导体表面发生的复合过程。表面处的杂质和表面特有的缺陷也在禁带形成复合中心能级，因而，就复合机构讲，表面复合仍然是间接复合。所以，间接复合理论完全可以用来处理表面复合问题。 考虑了表面复合，实际测得的寿命应是体内复合和表面复合的综合结果。设这两种复合是单独平行地发生的。用τv表示体内复合寿命，则1/τv就是体内复合几率。若用τa表示表面复合寿命，则1/τs就表示表面复合几率。那么总的复合几率就是： 1/τ=1/τv+1/τs 式中τ称为有效寿命。

10、陷阱、陷阱中心、陷阱效应：

陷阱效应也是在有非平衡载流子的情况下发生的一种效应。当半导体处于热平衡状态时，无论是施主、受主、复合中心或是任何其它的杂质能级上，都具有一定数目的电子，它们由平衡时的费米能级及分布函数所决定。实际上能级中的电子是通过载流子的俘获和产生过程与载流子之间保持着平衡的。当半导体处于非平衡态，出现非平衡载流子时，这种平衡遭到破坏，必然引起杂质能级上电子数目的改变。如果电子增加，说明能级具有收容部分非平衡电子的作用；若是电子减少，则可以看成能级收容空穴的作用。从一般意义上讲，杂质能级的这种积累非平衡载流子的作用就称为陷阱效应。从这个角度看，所有杂质能级都有一定的陷阱效应。而实际上需要考虑的只是那些有显著积累非平衡载流子作用的杂质能级，例如，它所积累的非平衡载流子的数目可以与导带和价带中非平衡载流子数目相比拟。把有显著陷阱效应的杂质能级称为陷阱，而把相应的杂质和缺陷称为陷阱中心。 11、利用间接复合理论对陷阱性质的简单讨论。 12、扩散的概念：

① 扩散现象反映微观粒子在特定条件下的运动规律。分子、原子、电子等微观粒子均可在气体、液体、固体中产生扩散运动。

② 产生扩散运动的原因（或动力）是各种因素造成的微观粒子的浓度梯度，微观粒子总是由浓度高的地方向浓度低的地方扩散。

③ 扩散运动与微观粒子热运动密切相关，使无规则运动有序化，产生定向运动。

④ 扩散运动的快慢与微观粒子本身的性质及其所处的环境有关，例如：电子和空穴在硅和锗中的扩散系数各不相同。

13、非平衡载流子的扩散与扩散密度：

对于一块均匀掺杂的半导体，例如n型半导体，电离施主带正电，电子带负电，由于电中性的要求，各处电荷密度为零，所以载流子分布也是均匀的，即没有浓度差异，因而均匀材料中不会发生载流子的扩散运动。如果用适当波长的光均匀照射这块材料的一面，并且假定在半导体的表面层内，光大部分被吸收。那么在表面薄层内将产生非平衡载流子，而内部非平衡载流子却很少，即半导体表面非平衡载流子浓度比内部高，这必然会引起非平衡载流子自表面向内部扩散。下面具体分析注入的非平衡少数载流子——空穴的扩散运动。 考虑一维情况，即假定非平衡载流子的浓度只随x变化，写成?p(x)，那么在x方向， 浓度梯度＝

d?p(x) dx通常把单位时间通过单位面积（垂至于x轴）的粒子数称为扩散流密度。实验发现，扩散流密度与非平衡载流子浓度梯度成正比。若用Sp表示空穴扩散流密度，则有

Sp??Dpd?p(x) dx比例系数DP称为空穴扩散系数，单位是cm2/s，它反映了非平衡少数载流子扩散本领的大小。式中负号表示空穴自浓度高的地方向浓度低的地方扩散。上式描写了非平衡少数载流子空穴的扩散规律，称为扩散规律。

14、一维稳态扩散：一种情况是样品足够厚，非平衡少数载流子从光照表面开始，向样品内部扩散过程中也伴随着复合，使非平衡少数载流子浓度按指数规律衰减。第二种情况是样品很薄，非平衡少数载流子来不及复合就扩散到另一表面，并在此表面突然降为零。在这种情况下，非平衡少数载流子在扩散方向上是线性分布。

15、爱因斯坦关系：通过对非平衡载流子的漂移运动和扩散运动的讨论，明显地看到，迁移率是反映载流子在电场作用下运动难易程度的物理量，而扩散系数反映存在浓度梯度时载流子运动的难易程度。爱因斯坦从理论上找到了扩散系数和迁移率之间的定量关系，即

D??kT。 q16、连续性方程：非平衡少数载流子同时存在扩散运动和漂移运动时所遵守的运动方程。一般情况下，非平衡载流子浓度不仅是位置x的函数，而且也随时间变化，以空穴为例，连续性方程的一般表达式为：

??p?2?p??p???p ?Dp????P???G pp?t?x?x?p?x2式中各项的物理意义，右端：

第一项为由于扩散运动，单位时间单位体积中积累的空穴数 第二、三项为由于漂移运动，单位时间单位体积中积累的空穴数 第四项为由于存在复合过程单位时间单位体积中复合消失的空穴数 第五项为由于某种因素单位时间单位体积中产生的空穴数（产生率）

左端则为单位时间单位体积中空穴的改变量或者说单位体积中空穴随时间的变化率。

17、连续性方程的应用：前面给出的连续性方式为一般表达式，在不同的条件下，具有不同的晶体形式，例如半导体中电场是均匀的，则含有电场偏导数的项应为零。因此，要根据具体情况，正确应用连续性方程。

难点：

1、间接复合理论中四个微观过程的分析以及关于寿命的讨论。

2、利用间接复合理论对陷阱性质的讨论：陷阱中心与复合中心的性质有很大不同，例如，对于有效复合中心，电子俘获系数与空穴俘获系数的数值相差不大，而有效陷阱中心两者相差很大。若rn??rp，陷阱俘获电子后，很难俘获空穴，因为被俘获的电子往往在复合前（即落入价带前）又被激发重新释放回导带。即落入陷阱中心的电子很难与空穴复合。这样的陷阱就是电子陷阱。电子陷阱中的电子要和空穴复合，它必须重新激发到导带，再通过有效复合中心完成和空穴的复合。若rp??rn，陷阱就是空穴陷阱。

3、非平衡少数载流子一维非稳态扩散方程的建立，其基本思路：取一个很小的体积元，计算单位时间内该体积元内非平衡少数载流子的变化量可以导出所要求的非稳态扩散方程。在

考虑非平衡少数载流子的变化量时，有四个因素： ① 因扩散，在单位时间内流入体积元的非平衡少数载流子，对于n型样品就是空穴，下同）。 ② 因光照，在单位时间内体积元中产生的非平衡少数载流子 ③ 因扩散，在单位时间内流出体积元的非平衡少数载流子 ④ 因复合，在单位时间内体积元中消失掉的非平衡少数载流子。显然，上述四条中，前两条会使体积元中非平衡少数载流子的数量增加，而后两条会使体积元中非平衡少数载流子的数量减少。所以前两条之和减去后两条之和再除以体积元的体积，就得到单位时间。单位体积中非平衡载流子的改变量，由此可导出一维非稳态扩散方程，以n型样品中的空穴为例，所求方程可表示为：

Sp(x??x)?p??pSp(x)??G?? ?t?x?x?p式中G为产生率，?x为体积元在扩散方向的线度。方程中右端四项分别对应上述引起空穴

改变量时四个因素。

如果?x很小，以致可以取极限，经过数字处理，上式可写作：

??p?2?p?p ?Dp??G 2?t??xp该方程的意义，方程右端：

第一项表示由于扩散，单位时间单位体积中积累的空穴数， 第二项表示由于复合，单位时间单位体积中消失的空穴数， 第三项表示由于光照，单位时间单位体积中产生的空穴数， 方程左端则表示了单位时间单位体积中净增加的空穴数。

本章基本物理概念和问题：

1、非平衡状态：当半导体受外界（光或电的）作用，热平衡状态被破坏，载流子浓度偏离热平衡载流子浓度。这种情况称为非平衡状态。

2、要使光产生非平衡载流子，要求光子的能量大于或者等于半导体的禁带宽度。

3、光产生非平衡载流子的特点是产生电子－空穴对，价带电子受光激发跃迁到导带，在价带留下空穴，因此产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度，即?n??p。 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增加，即引起附加电导率（有的参考书称为光电导率）：????nq?n??pq?p??pq(?n??p)

1、复合率：单位时间单位体积内复合消失的电子－空穴对数。 2、净复合率：单位时间单位体积内净复合消失的电子－空穴对数。 3、产生率：单位时间单位体积内产生的电子－空穴对数

4、热产生率：由温度引起单位时间单位体积内热产生的电子－空穴对数

5、非平衡载流子的寿命：非平衡载流子平均生存的时间。由于在半导体材料及各种半导体器件（包括半导体集成电路）中，相对于非平衡多数载流子，非平衡少数载流子起着十分重要的作用，因而非平衡载流子寿命常称为少数载流子寿命，简称为少子寿命或寿命。非平衡载流子在复合过程中按指数规律衰减，寿命标志着非平衡载流子浓度减小到原值的1/e所经历的时间。寿命越短、衰减越快。

6、寿命是半导体材料的重要参数，它与材料的种类以及材料所含杂质和缺陷的数量等因素有关。

准费米能级具有与费米能级类似地功能，即标准着载流子填充能带地水平。在非平衡状态状态下，若电子浓度比平衡状态时大，则电子准费米能级高于平衡状态时的费米能级，同理，如果空穴浓度比平衡状态时大，则空穴费米能级比平衡状态时的费米能级更接近价带顶。准费米能级偏离费米能级的大小，亦即反映了必定偏离热平衡状态的程度。它们偏离越大，说明不平衡情况越显著；两者靠得越近平衡态；两者重合时，形成统一的费米能级，半导体处于平衡态。因此引进准费米能级，可以更形象地了解非平衡态地情况。

注意：小注入情况下，非平衡少数载流子的准费米能级偏离费米能级的距离越大，而非平衡多数载流子的准费米能级偏离费米能级的距离越小，在画非平衡能带图时应考虑它们的差异。

电子俘获率：单位体积单位时间被复合中心俘获的电子数

电子产生率：单位体积单位时间复合中心向导带发射的电子数 空穴俘获率：单位体积单位时间被复合中心俘获的空穴数

空穴产生率：单位体积单位时间空的复合中心向价带发射的空穴数

有效复合中心：深能级在禁带中的位置不同，对促进非平衡载流子，复合所起的作用也不同，分析表明，复合中心能级位于禁带中央附近时，对非平衡载流子的复合作用最大，因此，位于禁带中央附近的深能级称为有效复合中心。对于有效复合中心，其电子俘获系数与空穴俘获系数相差不大。

表面复合率和表面复合速度：通常用表面复合速度来描写复合的快慢。把单位时间内通过单位表面积复合掉的电子－空穴对数，称为表面复合率。实验发现，表面复合率Us与表面处非平衡载流子浓度成正比，即 Us?s(?p)s

比例系数s表示表面复合的强弱，显然，它具有速度的量纲，因而称为表面复合速度。可以给它一个直观而形象的意义：由于表面复合而失去的非平衡载流子数目，就如同表面处的非平衡载流子(?p)s都以s大小的垂直速度流出了表面。 通过对陷阱的讨论，可以得到如下几点： 7、电子陷阱，rn??rp；空穴陷阱，rp??rn

8、陷阱中心非平衡载流子远远超过导带和价带中的非平衡载流子时才有显著的陷阱效应。而且陷阱效应主要是对非平衡少数载流子，而对非平衡多数载流子的陷阱作用不显著。 9、对电子陷阱而言，陷阱能级在费米能级之上，且越接近费米能级，陷阱效应越显著。 10、扩散、扩散流密度、扩散定律、扩散长度、扩散速度、扩散电流密度 11、爱因斯坦关系表面了非简并条件下载流子迁移率和扩散消失之间的关系。虽然爱因斯坦关系式是针对平衡载流子推导出来的，但实验证明，这个关系可直接用于非平衡载流子。这说明刚激发的载流子虽然具有平衡载流子不同的速度和能量，但由于晶格的作用，在比寿命

因此在复合前绝大部分时间中已和平?短的多的时间内就取得了与温度相适应的速度分布，

衡载流子没有什么区别。

12、牵引长度：载流子在电场作用下，在寿命?时间内漂移的距离。要注意牵引长度与扩散长度的不同之处。

本章要求掌握的内容及考点：

1、掌握上述基本概念。

2、熟悉以下要点：光注入条件：光子能量大于或等于半导体的禁带宽度。光注入产生非平衡载流子的特点，?n??p；光注入使半导体产生附加电导率，同理：其它注入方式也产生附加电导率。光注入非平衡载流子的现象可通过实验来观测。

3、明确下列问题：为什么要引入准费米能级？准费米能级的意义是什么？对n型半导体或p型半导体，电子准费米能级和空穴准费米能级偏离费米能级的程度有什么不同？并用能带图表示出来。

4、掌握直接复合、间接复合、表面复合机理以及各种因素对非平衡载流子寿命的影响。 5、明晰陷阱作用；陷阱中心和复合中心的区别；

6、扩散方程是研究半导体非平衡载流子运动规律的重要方程，因此要掌握扩散方程及其应用；掌握扩散电流密度的计算方法。 7、熟练应用爱因斯坦关系式。

8、能较熟练地应用连续性方程解决具体问题。 9、课后作业题

第十章 半导体的光学性质

本章要求掌握的内容及考点：

1、吸收系数、消光系数和折射率：固体对光的吸收过程，通常用吸收系数、消光系数和折射率来表征。光在媒质中传播时，光强度按指数规律exp(??x)衰减，，它的单位是cm?1。表示光?是与光强度无关的系数，称为媒质的吸收系数，

?强衰减到原值的1/e时，光强深入到媒质以内的平均距离。对于明确的媒质，吸收系数的大小与光的波长有关。吸收系数与波长的关系称为吸收光谱。对于吸收系数很大的情况，光的吸收实际上集中在晶体很薄的表面层内。消光系数也是表征光能衰减的参数，它与吸收系数存在内在联系，即两者成正比关系。 明晰吸收系数、消光系数等光学参数的物理意义。

2、本征吸收和本征吸收限：理想半导体在绝对零度时，价带是完全被电子占满的，因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。唯一可能的吸收是足够能量

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